面向制造的机床并行公差优化设计.pdf

设计与研究 D e s jg n a n d R e se a rc h 面向制造 的机床并行公差优化设计 祝莉平① 翟 栋② ① 南通科技投资集团股份有限公 司， 江苏 南通 2 2 6 4 0 0 ； ②清华大学精密仪器与机械学系， 北京 1 0 0 0 8 4 摘要 运用并行公差优化设计方法对精密卧式N c 中心线性轴进行公差分配。在保证机床现有精度条件 下， 综合分析机床各线性轴制造误差的敏感度和加工成本 ， 优化 了给定结构机床线性轴导轨选型和 导轨基面工序公差的精度设计， 节约了机床制造成本。 关 键词 卧式 加工 中心公 差 分配并行公 差优 化设计 中图分 类号 T G 8 0 2 文献标识 码 A Co n c u r r e n t t o l e r a n c e o p t i mi z a t i o n f o r ma c h i n e t o o l ma n u f a c t u r i n g ZHU L i pi n g ① ，ZHA1 Do n g ② N a n t o n g T e c h n o h g y I n v e s t m e n t G r o u p C o ． ， L t d ． ，N a n t o n g 2 2 6 4 0 0 ， C H N； ②D e p a r t m e n t o f P r e c i s i o n I n s t r m n e n t s a n d Me c h a n o l o g y ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4， C H N Abs t r a c t Th i s p a p e r o p t i mi z e s t h e ma nu f a c t u r i n g t o l e r a n c e a s s i g n me n t o f p r e c i s i o 1 h o r i z o n t a 1 ma c h i n i n g c e n t e r t ms e d o n t h e me t h o d o l o g y o f c o n c u r r e n t t o l e r a nc e o p t i mi z a t i o n．W h i l e k e e p i n g t h e ma c h i n e t o o ]a c c u r a c y，p r o p e r t o l e r a n c e a s s i g n me n t c 0 mp r e he n s i v e l y a na l y z e s t h e s e n s i t i v i t i e s o f t h e ma nu f a c t u r i n g t o l e r a n c e s a n d ma n uf a c t u r i n g c o s t ．Th e o p t i mi z e d t o l e r a n c e a s s i g n me n t o f l i n e a r r a i l s a n d r a i l da t u ms i s g i v e n a n d i t e o n t r i b u t e s t o a r e d u c t i o n o f p r o d u c t i o n c o s t ． Ke y wo r ds Ho r i z mt a l Ma c h i n i n g Ce n t re‘ ；To l e r a n c e As s i g n me n t ； Co n c u r r e n t To l e r a n c e Op t i mi z a t i o n 机床的精度设计是机床没计 的重要环节， 合理分 配机床各零部件制造公差 ， 可在保证机床质量 的前提 下 ， 降低机床制造成本 ， 提高装配合格率。精度设计按 照设计公差和工序公差的关系分为分步公差设计和并 行公差设计 。分 步公 差设计一 般依靠丁程人员 的 经验 ， 以机床的空间误差为设计 目标 ， 根据机床装配要 求和标 准公差要求 ， 分配机床零件 的设计公差； 继而以 单个零部件的设计公差为 日标 ， 从加工能力 、 加工成本 角度分配零件各道工序 的公差。分步公差设计中设计 公差缺少综合考虑机床使用性能和制造成本 ， 难 以保 证公差分配最优 ， 且设计周期长。并行公差优化设计 一 般借助计算机技术 ， 在保汪机床精度要求下， 利用机 床的装配要求和零部件 的工艺信息 ， 实现机床装配合 格率和制造成本的优化平衡 ， 设计效率高 J 。实际 中 各机床企业的机加工T 艺和装配 1 艺各有差异 ， 合理 的公差设计依赖于对企业实际工艺水平 的调查。 本文针对南通科技生产 的某 卧式加工 中心 下 文中简称卧加 ， 在对机床线性轴实际机加工工艺和 装配工艺统计分析的基础上， 采用并行公差优化设计 方法埘机床线性轴进行公差分 ， 有利于提高生产率 ， 降低制造成本。 1 并行公差优化设计 1 ． 1 工 艺路 线规划 机床并行公差优化设计首先需要刈‘ 机床的装配工 艺和各零 部件的加工工艺进行规划， 包括外购件的精 度等级选取 ； 机加工件 的加工方 法， 加 工顺序的确定 ； 机床装配方法的制定和修配 、 调整环节的选择。 一 般机床包括 3个直线进 给轴 ， 各轴之问的垂直 度误差通过调整环节控制 ， 使机床轴结合面 以经济加 工精度满足 机床装配要求 。直线进给轴 的结构 由底 座 、 滚动导轨 、 滑鞍和丝杠组成 。底座t导轨安装面的 加工误差是影响导轨装配误差的主要 因素， 进而影响 机床的几何精度。生产实际中底座铸造毛坯先后经半 精铣和精磨两道机加 工序 ， 如图 1所示。在一般企 业 中滚动导轨为外购件 ， 根据国标 J B ／ T 7 1 7 5 ． 2 ～ 9 3选 用不同精度等级 。导轨和进给平 台底座装配采用大数 互换法装配， 以提高装配效率。滑鞍毛坯经过半精铣 毋 磐 、 ～ 0 0 0 和精磨保证 台面的平 『 f { f 度要求 ， 滑鞍 和 导轨滑块通过 修配滑鞍保证装配精度。进给轴 r l 1 丝杠 为外购件 ， 其 相关装配精度主要保证丝卡 _ l 良好的使用性能和使用寿 命 。大数 换装配环 节的制造误筹对装配精度影响 著， 也是机床零件机加_T的重要特征。所以， 本文针对 此环节进行公差优化分配 ， 以保证机床装配效率的同 时， 降低乍产成本 。 图 1 机床 床身底 座示意 图 1 ． 2目标 函数 的确定 并行公差优化没计臼标函数一般采用最小成本模 型或加权最大工序公差模 型 。最小成本模 型依 赖 于建立工艺条件下的成本一 公 差模型。而企业实际条 件下 ， 机械加工零件的制造误差随零件的尺寸 、 结构而 变化， 很难用统一 的数学模型 准确描述成本一 公差 关 系。而各公差分配方案的加工成本有相对 的意义 ， 故 以权重系数表示零件特征采用某加 】 方法保证公差要 求时的成本差异 ， 建立机床最大工序公差模型为 1 TI a x∑ 1 l 式中， 为__ [ 序公差 ； 为权重系数。 1 ． 3 约束条件确定 1 机床设计‘ 误差约束 机床零部件的制造误差 影响机床各 轴的几何精 度 ， 进而影响机床 的 问误差。用齐次矩阵变换 的方 法建立以几何误差为误差源的饥床 卒间误差模型 ； 通 过统计实验和公差分析 ， 对影响几何误差的机床零部 件制造公差进行辨识 ， 从 而建立机床空问误差 与机床 零部件制造公差的关系。在机床公差分析的基础上得 到机床审问误 差对制造误差 的敏感度 系数 s ， _ 3 J 。采 用大数互换法装配各线性轴的导轨 时， 制造误差对空 间误差的影响可采用统计型设计公差约束 。一般机床 零部件的制造误差的概率分布为近似正态分布或者瑞 利分布 ， 记 K为相对分布系数 ， 则 K 6 o - ／ 。则机床 线性轴制造 误差的设计公差 T 0 s 约束为 厂 一 ≥ √∑s K 2 ‘ 0 ￡ 1 2 机床经济加 精度约束 在企业正常生产条件下采用某加j 二 l lr艺， 零件加 工精度 的变动范 作 为公差 分配的经济加 _ L 精度 约 束 ， 即 ” ”≤ ≤ 3 式 中 ⋯ 为经济工序公差 的下限值 ； 为在保证精 度条件下经济工序公差的上限值。 1 ． 4 公 差分 配 方案及 求 解 以加权最大工序公差模型为 H标函数 ， 以机床 空 间误差 、 经济加工的加工精度为约束条件 ， 求解线性轴 零件 的工序公差。一般初步精度分配得到工序公差还 需要进行审核和调整。为获得零部件加工成本的最优 化 ， 尽量减少零件的加工工化 ， 以减少零件装夹时间 ； 对零件上可采用相 同加工方法的_ L 序 ， 一般需要平衡 其公差分配， 以充分利用 机床 的加工精度。将调整后 的精度初步分配方案 ， 代人机床的 问误差约束模型， 保证其满足机床 的设计精度要求 。 2工程 实例 本文以卧加为对象 ， 对影响机床空 间误差的直线 进给轴制造误差进行并行公差优化设计 。机床直线进 给轴 导轨 的没汁公差取滑块的运动平行度 ， 在 、 l ， 、 z 向导轨 中分别用 、 、 7 1 P 表示 。进给轴底座 的 设计公差为导轨安装底而和侧面的直线度误差和平行 度误差 ， 如图 1 。3轴导轨安装底面直线度误差分别表 示为 、 、 7 1 H ； 导轨安装侧面的直线度误差为 、 、 ，其 中以下标 、 l ， 、 z区分不同方向进给轴。 25 20 1 5 1 0 5 O O 3 6 9 1 2 直线度／ ,u i n 图2 导轨基 面磨 削辊 率分布 进给轴底座采用磨 床精磨加工 ， 统计分析导轨安 装面直线度误差 的概率分布 ， 其 直方图如 图 2 ； 利用瑞 利分布对其进行拟合 ， 其相对分布系数为 1 ． 1 4 。统计 导轨滑块平行度误差的分布为近似止态分布 ， 其相对 分布系数为 1 。底座上导轨安装底面的设计精度通过 半精铣和精磨工序保证。半精铣和精磨的工序公差的 经济变动范围如表 1 ； 导轨可选择 N S K精度等级 P 4～ 设计与研究 D e s _晗 n 0 n d R 洲『c h P 6级的滚动导轨。调研机床零件各加工工序成本和 外购件成本， 确定各工序公差 的权重系数见表 l 。通 过对I t , h H 精度分析 ， 得到机床各制造误差的敏感度系 数如表 1 。 以线性轴大数互换装配为条件 ， 在保证 现有机床 精度水平条件下 ， 对底座滚动导轨误差进行优化分配 。 确定加权最大工序公差为 目标 函数 ， 经济加工工序误 差如表 1 ， 对 目标函数求解后 ， 得 到精度分配的初步方 案 ， 如表 2 。 进给轴底座上的导轨安装底面和侧 面 的直线度误差为 2 0 m， 所以可采用半精铣代替现有 机床的精磨保证最终设计公差 ； Y 、 Z轴底座上导轨安 装底面和侧面的直线度误差相差较大 ， 分别为 6 m、 2 0 m。而同一底座上导轨安装底面和侧面可以在 1 次装夹中方便地同时加工， 所 以对机床的初步精度分 配方案进行调 整。y轴制造误差 的敏感度大 ， 调整 l ， 轴底座导轨安装侧面的磨削直线度误差为 6 Ix m； 而 z 轴底座上导轨安装底面采用半精铣 ， 调整工序公差为 2 0 m。 轴和 Z轴 的导轨精度微调为标准的 P 5级 精度 ， 滑块运动平行度公差分别为 1 5 Ix m和 1 3 k L m。 将调整后的精度分配方案代人机床设计公差约束 ， 满 足机床精度要求。 通过公差的优化分配， 在保证机床现有精度水平 的条件下 ， 机床 、 z进 给轴底座 的制造 误差放宽至 0 ． 0 2 0 mm， 可以采用五面体立铣床铣削代替磨床磨削 加工 ； 而 】 ， 轴制造误差是影响空问误差 的敏感项， 故 选用 N S K精度 P 4级滚动导轨 ； Y向进 给轴导轨基面 采用精磨加工。经核算机床的线性轴制造成本降低 了 1 ．8 ％ 表 1 XY Z三轴 W、 S 、 K系数表 敏感度 现有公差 相对分 铣削经济 权重 1 磨削经济 权重 2 部件 序号 系数 S ／ j, z m 布系数 误差 1 ／ m 误差 2 ／ ,t．t m l TR x 1 ． 0 1 0 1 ．1 4 [ 1 O ， 2 0 ] 1 3 [ 6， 1 0 ] 1 ． 3 轴 2 T c x 0 ． 2 1 0 1 ． 1 4 [ 1 0 ， 2 0 ] 1 ． 3 [ 6， 1 0 ] 1 ． 3 3 ]／ P A X 2 ． 0 1 5 1 [ 1 5 ， 2 2 ] 2 ． 5 [ 1 0， 1 5] 3 4 rB r 1 ． 5 1 0 1 ．1 4 [ 1 0 ， 2 0 ] 1 [ 6， 1 0] l Y 轴 5 r 0 ． 4 1 0 1 ． 1 4 [ 1 O ， 2 0 ] 1 [ 6 ， 1 0 ] 1 6 A y 2 ． 9 I 1 I [ I I ，1 9 j 2 ． 5 7， 1 1 ] 3 7 T B z 1 ． 0 1 0 1 ．1 4 [ 1 O ， 2 0 ] 1 ． 1 [ 6， l O] 1 ． 1 Z轴 8 0 ． 4 1 0 1 ． 1 4 [ 1 O ， 2 0 ] 1 ． 1 [ 6， 1 0 ] 1 ． 1 9 A z 2 ． 0 1 3 1 [ 1 3 ， 2 1 ] 2 ． 5 [ 8， 2 1 ] 3 表 2 XY Z三轴公 差分配方案 公差项／ I．L m c P A 7 1B r r P A z T p A Z 原有精度分配方案 l 0 1 0 1 5 1 0 1 0 1 1 1 0 l 0 1 3 初步精度分配方案 2 0 2 O 1 5 1 6 2 0 7 6 2 0 1 3 ． 7 调增精度分配方案 2 0 2 0 1 5 6 6 7 2 O 2 O 1 3 3结语 本文通过并行公差优化设计 的方法， 利用零件加 工规划信息 ， 对机床线性轴底座和导轨制造误差进行 公差分配。对 比传统的公差设计方法 ， 该方法得到公 差分配结果减少了机加工的工序 ， 符合企业的加工实 际， 降低了整机的加工成本 。 参考文献 [ 1 ] 李柱 ， 徐振高 ， 蒋向前 ． 互换性与测量技术几何产品技术规范与 认证 G P S f M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． 66 [ 2 ] 黄美发． 面向设计 和制造的并行公 差设计方法研究 [ D] ． 武汉 华 中 科技大学 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 杩琳 ， 黄 田， 王洋 ， 等 ． 面 向制造的并联机 床精度设计 [ J ] ． 中国机 械 工程 ， 1 9 9 9 ， 1 0 1 0 1 1 1 4 1 1 l 8 ． 第一作者 祝莉平， 女 ， 1 9 6 0年 生， 高级 工程师， 主 要从事数控机床的制造工艺和设计工作。 编辑李静 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 9 文章编号_ J 1 0 3 1 8 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调蠢表中的相应位置。 啬 ⋯I_耳 帚J 朋